Проектирование автоматизированной системы управления зданием

Общая схема подключения для системы включения и выключения света представлена на рисунке 25.

Рис. 25. Общая схема системы управления освещением

Далее идет проверка на короткое замыкание и настройка параметров аппликационной программы устройства LED4-KNXvL через программное обеспечение ETS3 Professional (рис. 26). Параметры каждого канала можно настроить по отдельности, но в данном случае настройки идентичны.

Рис. 26. Структура групповых адресов для системы освещения

Проигрыватель сцен (плавное переключения цветов) тоже имеет несколько настраиваемых параметров. Количество сцен в проигрывателе сцен равно 6. Для наглядности использованы основные и промежуточные цвета RGB, для этого для каждой сцены настраивается яркость в процентах для каждого канала. Данная функция состоит из следующих сцен:

1. R -100%, G - 0%, B - 0%;

2. R -100%, G - 100%, B - 0%;

3. R -0%, G - 100%, B - 0%;

4. R -0%, G - 100%, B -100 %;

5. R -0%, G - 0%, B - 100%;

6. R -100%, G - 0%, B -100 %.

В итоге, пользователь может включать и выключать обычную лампу, включать и настраивать яркость и цвет каналов RGB-ленты, запускать проигрыватель световых сцен.

С помощью инструментов контроллера LM и языка программирования LUA возможна реализация множества функций и сценариев, например, включения света по таймеру или создание различных режимов.

4.2 Система микроклимата

Система микроклимата включает в себя управление отоплением, вентиляцией и кондиционированием, то есть помогает поддерживать комфортный для человека, растений, животных и различного оборудования уровень параметров воздуха: температуры, влажности и химического состава в жилых и производственных помещениях. Также управление микроклиматом позволяет снизить общее потребление энергии, за счет рационального использования ресурсов. Контроль микроклимата осуществляется с помощью различных инженерных устройств: кондиционеры, вентиляторы, радиаторы и прочие другие. Устройства не должны конфликтовать друг с другом, поэтому необходимо обеспечить слаженное управление и настройку всех исполнительных устройств. Исходя из требований для помещения, можно реализовать различные сценарии работы системы микроклимата (например, разная логика поддержки температуры при наличии и отсутствии людей в здании).

В данной дипломной работе реализована модель управления отоплением и кондиционированием в квартире, а также организована система теплого пола. Эти системы имеют некоторые общие элементы в принципах проектирования, но и также различны в определенных моментах, которые наглядно продемонстрированы в ходе реализации данного проекта.

Пользователь может выставить желаемую температуру в помещении, которая будет поддерживаться за счет включения/выключения обогревателя и кондиционера, используя сенсорную панель или интерфейс контроллера LogicMachine4. Также реализована функция автоматического отключения системы микроклимата при открытом окне и возможность вручную отключить систему. Это позволяет экономить энергоресурсы. Система теплого поля работает почти по такому же принципу, как и система отопления/кондиционирования, то есть пользователь выставляет нужную температуру, и она поддерживается с помощью обогревателя пола.

Исходя из технического задания были выбраны следующие компоненты для реализации системы управления микроклиматом и теплым полом:

1. EVIKA Multiport v3 (UIO8-KNXv3);

2. EVIKA Контроллер 8-ми датчиков температуры Pt100/1000 (IPT8-KNX);

3. Сенсорная панель InZennio Z38i;

4. Реле WAGO 788-304 (3 шт.);

5. Датчик температуры PT1000;

6. Геркон.

Для начала рассмотрим реализацию системы микроклимата, которая включает в себя кондиционирование и отопление, на основании температуры, выставленной пользователем. Множество компаний производит различные виды термостатов разной ценовой категорией и имеющих отличный друг от друга функционал. В качестве управляющего микроклиматом устройства использована сенсорная панель InZennio Z38i, которая имеет множество дополнительных возможностей, включая функцию термостата и встроенный датчик температуры. Панель Z38i сравнивает значение, полученное с датчика со значением выставленным пользователем и на основании этого, включает/выключает кондиционер или обогреватель; в данном проекте вместо них задействованы два реле WAGO 788-304, имеющие красный светодиод, срабатывающий при замыкании контактов. Разумеется, необходима еще настройка дополнительных параметров панели (например, "коридор" гистерезиса температуры). Таким образом, пользователь сможет вручную включать или выключать всю систему микроклимата, а также будет происходит автоматическое отключение системы при открытом окне, которое реализовано с помощью геркона.

Существуют несколько способов реализации логики системы отопления/охлаждения. Один из них - принцип пропорционально-интегрально-дифференцирующего (ПИД) регулятора (рис. 27). Выходной сигнал регулятора u определяется тремя основными слагаемыми, каждый из которых отвечает за определенную функцию:

,

где Кp, Кi, Кd -- коэффициенты усиления пропорциональной, интегрирующей и дифференцирующей составляющих регулятора соответственно.

Рис. 27. График работы ПИД-термостата

В данном случае не столь важен математический принцип работы ПИД-регулятора, а точнее, расчет значений коэффициентов, так как есть готовые библиотеки на языке программирования LUA или прописанный алгоритм в работе устройств для реализации ПИД-регулятора в домашней автоматике.

Вторым вариантом организации системы микроклимата является принцип двухточечного термостата (рис. 28).

Рис. 28. График работы двухточечного регулятора

Помимо установленной температуры, программно задается "коридор" гистерезиса, то есть некоторая дельта возможной температуры. При достижении минимума гистерезиса включается обогреватель, который будет работать до того момента как температура поднимется выше максимума гистерезиса. Обогреватель отключается, и температура начинает падать снова до минимума и т.д. По такому же принципу работает кондиционер. Важно проверить, чтобы устройства охлаждения и обогрева не вступали в конфликт (не включался одновременно и обогреватель, и кондиционер).

Для реализации системы микроклимата, необходимо подключить сенсорную панель InZennio Z38i к шине KNX (вся шина подключена к дросселю и имеет общий блок питания), при этом питания шины достаточно для Z38i и поэтому не требуется подключение непосредственно к блоку питания. Так же, как и в системе управления освещением, реле, отвечающие за обогреватель и кондиционер, подключены к EVIKA Multiport v3 (UIO8-KNXv3) к "2" и "3" каналам соответственно. Подключение каналов реле WAGO 788-304 к UIO8-KNXv3 полностью аналогично подключению реле, управляющего лампой. Геркон, эектромеханическое устройство, работающее по принципу "ключа", одним концом кабеля подключается к "8" каналу UIO8-KNXv3, а другим к общему "плюсу". Таким образом при создании магнитного поля (прикладывании магнита) контакты геркона будут замыкаться и на канал EVIKA Multiport v3 будет подано напряжение, таким образом с помощью геркона имитируется закрытое/открытое окно.

После того как все устройства корректно подключены и проверены на короткое замыкание мультиметром, необходимо настроить систему, используя программное обеспечение ETS3 Professional. Настройка параметров реле, управляющих обогревателем и кондиционером, в аппликационной программе для EVIKA Multiport v3 (UIO8-KNXv3) аналогична настройке реле, управляющего лампой. Каналы "2" и "3", к которым подключены реле, также настраиваются как бинарные выходы, которые могут выдавать значение либо "0", либо "1". При отправлении значения "1" на канал реле, будет происходить замыкание контактов и включение красного светодиода, что позволит имитировать непосредственно кондиционер и обогреватель. Канал "8", к которому подключен геркон, имеет конфигурацию бинарного входа, по аналогии с выключателем, управляющим светом. Однако настройки параметров различны. Параметр "rising edge" имеет значение "send 0", а "faling edge" - "send 1". Это означает, что при замыкании контакта (окно закрыто) на привязанный групповой адрес будет отправлено значение "0". При размыкании контакта (окно открыто) на этот групповой адрес будет отправлено значение "1". Также этот объект связи связан с объектом, включающим и выключающим систему микроклимата. Панель InZennio Z38i настраивается в соответствии с технической документацией [21]. Распределение объектов связи по групповым адресам представлено на рисунке 29.

Рис. 29. Структура групповых адресов для системы микроклимата

Пользователь может включить или выключить систему микроклимата в целом, выставить необходимую ему температуру и увидеть в каком состоянии сейчас находится окно (открыто или закрыто). Для реализации дополнительных сценариев (например, включение системы по определенным часам) используется контроллер LogicMachine4.

Для реализации теплого пола используется датчик температуры PT1000, который измеряет температуру пола, исполнительное устройство EVIKA Контроллер 8-ми датчиков температуры Pt100/1000 (IPT8-KNX) для управления системой и реле WAGO 788-304 для имитации механизма обогрева пола. IPT8-KNX по аналогии с другими логическими элементами подключается к общей сети KNX посредством шинного клеммника. Дополнительное подключение к источнику питания не требуется, так как устройство питается от сети KNX. Датчик температуры PT1000 подключается к каналу "1" устройства IPT8-KNX и к общему "минусу". Реле, которое является эмулятором механизма обогрева пола, подключается так же, как и все остальные реле, к устройству Multiport v3 к "6" каналу. Общая схема подключения для системы микроклимата и теплого пола представлена на рисунке 30.

Рис. 30. Общая схема системы управления микроклиматом и теплым полом

Далее следует проверить подключенные устройства на короткое замыкание мультиметром и настроить в программном обеспечении ETS Professional.

Канал "6" мультипорта настраивается в режиме бинарного выхода, как и все остальные реле. В аппликационной программе устройства EVIKA Контроллер 8-ми датчиков температуры Pt100/1000 (IPT8-KNX) идет настройка термостата для реализации системы управления теплым полом. Параметры "heating control" и "cooling control" по умолчанию настроены как "enabled" (то есть включены), но так как охлаждение пола не требуется (в отличие от системы микроклимата), то параметр "cooling control" необходимо перевести в режим "disabled". Устройство будет сравнивать полученное от датчика PT1000 значение температуры с установленным пользователем значением и регулировать включение обогрева пола. Далее необходимые объекты связи распределяются по групповым адресам. Распределение объектов связи представлен на рисунке 31.

Рис. 31. Структура групповых адресов для системы теплого пола

Таким образом, пользователь сможет указать необходимую для поддержания температуру пола, а также выключить систему, если это необходимо.

Систему микроклимата можно расширять, учитывая другие различные факторы, например, влажность воздуха или добавляя сценарии включения отопления по датчику нахождения человека в помещении или по времени суток.

4.3 Система управления механизмом штор

Управление шторами является элементом системы домашней автоматики. Оно позволяет сделать жизнь в доме более комфортной и удобной. Автоматическое управление шторами позволяет регулировать необходимый уровень уличного освещения в разное время суток. Также можно настроить необходимые пользователю режимы, например, автоматически закрывать шторы на ночь. В данной дипломной работе все инженерные системы были реализованы с помощью дополнительных исполнительных устройств, которые уже были запрограммированы для определенного функционала (например, устройства с функцией термостатирования). Но в зависимости от требований заказчика не всегда возможно или необходимо использовать эти логические модули. В данном проекте также используется контроллер LogicMachine4 для реализации дополнительных сценариев и интерфейса. С его помощью, используя язык программирования LUA, возможно написать программный код, реализующий логику организации механизма управления шторами. Поэтому в качестве примера возможностей домашней автоматики для данной системы был выбран именно такой способ управления. Это также поможет снизить стоимость инсталляцию в целом.

Исходя из технического задания для реализации системы управления шторами необходимы только лишь реле WAGO 788-304 в количестве 2 штук. Как было сказано выше, для реализации логики использован контроллер LogicMachine4. умный дом коммуникационный шина

Реле WAGO 788-304 подключаются к "4" и "5" каналам EVIKA Multiport v3 аналогично с другими реле, использующимися в реализации других инженерный систем. Одно из реле используется для механизма открытия штор, другое - для закрытия. Важно отметить, что механизмы не должны работать одновременно иначе это приведет к поломке системы в целом. Общая схема подключения системы механизма штор представлена на рисунке 32.

Рис. 32. Общая схема системы управления механизмом штор

Устройства проверяются на короткое замыкание, и в программном обеспечении ETS Professional объекты связи данных каналов, которые настроены в режиме бинарного выхода, связываются с различными групповыми адресами (рис. 33).

Рис. 33. Структура групповых адресов для системы механизма штор

Дальнейшая настройка происходит в веб-интерфейсе контроллера LogicMachine4. В разделе Scripts в подразделе Event-based, отвечающий за создании сценариев, срабатывающих по какому-либо "событию" (изменение значения в групповом адресе, который связан со скриптом), необходимо создать два скрипта. Скрипты срабатывают по тэгу "curtain", которые имеют два групповых адреса, связанные с механизмом управления шторами (поднять и опустить шторы). Первый скрипт отвечает непосредственно за включение определенного механизма (рис. 34), второй скрипт отключает систему (рис. 35).

Рис. 34. Программный код скрипта, реализующего открытие и закрытие штор

Рис. 35. Программный код скрипта, останавливающего систему

Таким образом пользователь включить механизм открытия или закрытия штор, или отключить систему в целом.

Гибкие возможности настройки контроллера LogicMachine4 позволяют создать дополнительные сценарии, контролирующие систему управления шторами.

4.4 Интерфейс и общая схема функционирования

Когда вся инсталляция спроектирована, подключена и протестирована, необходимо продумать наиболее удобный вариант управления всей системой в целом. Ведь простому пользователю неудобно включать или выключать свет через программное обеспечение ETS Professional или используя веб-интерфейс контроллера, понятные только лишь для разработчика. Следовательно, нужен простой и интуитивный способ для управления. Основная цель данного дипломного проекта - спроектировать систему управления основными элементами домашней автоматики. Создание красивого и функционального интерфейса - отдельная сложная сфера в области автоматизации зданий, поэтому в данной дипломной работе представлен простой интерфейс, созданный с помощью встроенного конструктора контроллера LogicMachine4 для наглядной демонстрации управления спроектированной инсталляцией [22].

Контроллер LogicMachine4 имеет различные инструменты для создания интерфейса, включая редакторы CSS и JavaScript, с помощью которых можно создавать сложные и красивые вариации управляющих элементов, но в данной работе они не будут использоваться. Ниже приведен созданный интерфейс для управления всей спроектированной системой в целом (рис. 36). Он включает в себя управление освещением, микроклиматом, теплым полом и шторами.

Рис. 36. Интерфейс для управления созданной инсталляцией

Создание интерфейса позволяет просто и доступно управлять всеми элементами системы, также на экране наглядно демонстрируется в каком состоянии находится та или иная система. Можно расширять функции интерфейса, добавляя фреймы с камерами видеонаблюдения, прогноза погоды с интернет порталов или оповещения систем безопасности, таким образом улучшая комфорт реализации системы в целом. Множество компаний производителей предлагают специальные сенсорные панели, разработанные специально для управления готовыми инсталляциями.

В рамках данной дипломной работы был спроектирована модель системы управления и автоматизации здания. В предыдущих главах были подробно рассмотрены и разобраны возможности реализации каждой из подсистем в отдельности. Но при практическом использовании чаще всего все подсистемы тесно связаны друг с другом и применяются сообща (например, выключение отопления при определенной степени освещенности). Также, некоторое оборудование часто задействовано одновременно в нескольких инженерных подсистемах. Таким образом, необходимо рассматривать всю систему автоматизации в целом. Общая схема подключения представлена на рисунке 37.

Рис 37. Общая схема инсталляции

Рис. 38. Готовый макет системы домашней автоматики

Данная схема подключения позволяет наглядно продемонстрировать весь проект на уровне схемотехники.

В виде готового макета спроектированная система управления зданием показана на рисунке 38.

Заключение

В рамках данной дипломной работы разработана полноценная функциональная автоматизированная система управления зданием на базе международного стандарта KNX. Все задачи реализованы в полной мере.

В первой части работы для разработки данного проекта проведен анализ различных протоколов для проектирования системы, рассмотрены основные преимущества создания интеллектуальной системы. Во второй части подробно изучен принцип работы протокола KNX, способы конфигурации сети и возможности для настройки. Также подробно обоснован выбор именно данного стандарта для проектирования. В третьей части работы выбрана полная элементная база для создания инсталляции, которая включает в себя источник питания, логические модули, исполнительные устройства и датчики. В заключительной части работы рассмотрено непосредственное проектирование и разработка проекта. Реализованы следующие подсистемы: система освещения, система микроклимата и теплого пола, система управления механизмом штор. Также дополнительно создан понятный и простой, но функциональный интерфейс для наглядной демонстрации данной инсталляции.

Проект имеет большие возможности для расширения, благодаря гибкой настройке и широкому функционалу контроллера. С помощью создания различных скриптов на языке программирования LUA возможна реализация большого количества сценариев, управляющих несколькими подсистемами вместе, таким образом создавая по-настоящему интеллектуальную и самообучающуюся систему для управления зданием.

Список литературы

1. Е.А. Тесля. "Умный дом" своими руками. Строим интеллектуальную цифровую систему в своей квартире / Тесля Е.А. - Санкт Петербург, 2008. - 224 с.

2. X10. Technical note. [Электронный ресурс]: http://jvde.us/info/x10_protocol.pdf (дата обращения: 1.02.2016).

3. Chew M. T., Tham T. H., Kuang Y. C. Electrical power monitoring system using Thermochron sensor and 1-Wire communication protocol //Electronic Design, Test and Applications, 2008. DELTA 2008. 4th IEEE International Symposium on. - IEEE, 2008. - С. 549-554.

4. Merz H., Hansemann T., Hьbner C. Building Automation: Communication Systems with EIB/KNX, LON and BACnet. - Springer Science & Business Media, 2009.

5. Loy D., Dietrich D., Schweinzer H. J. (ed.). Open control networks: LonWorks/EIA 709 technology. - Springer Science & Business Media, 2012.

6. Goossens, M.: A Survey of the EIB System. In: EIBA Proceedings 1997, p 49. EIBA 1997.

7. Кремлев А. С., Титов А. В., Щукин А. Н. Проектирование систем интеллектуального управления домашней автоматикой. Элементы теории и практикум. - СПб.: НИУ ИТМО, 2014. - 96 с.

8. EIB -- Система автоматизации зданий / Дитрих Д., Кастнер В., Саутер Т., Низамутдинов О. Б., Под ред. Низамутдинова О. Б., Гордеевой М. В. - Пермь: ПермГТУ, 2001. - 378 с.

9. EVIKA LogicMachine. Руководство пользователя. [Электронный ресурс]: http://evika.ru/wp-content/uploads/document/LM3-Reactor/EVIKA_LM3_Manual.pdf (дата обращения: 12.04.2016).

10. EVIKA LogicMachine. Руководство программиста. [Электронный ресурс]: http://evika.ru/wp-content/uploads/document/LM3-Reactor/EVIKA_LogicMachine_Programming.pdf (дата обращения: 12.04.2016).

11. TDK-Lambda, DSP series. Datasheet. [Электронный ресурс]: https://us.tdk-lambda.com/ftp/Specs/dsp.pdf (дата обращения: 8.03.2016).

12. EVIKA CHOKE-KNXv3 Дроссель питания для KNX шины. Руководство пользователя. [Электронный ресурс]: http://evika.ru/wp-content/uploads/document/CHOKE-KNXv3/EVIKA_CHOKE-KNXv3_Manual.pdf (дата обращения: 12.04.2016).

13. EVIKA UIO8-KNXv3 MultiPort. Руководство пользователя. [Электронный ресурс]: http://evika.ru/wp-content/uploads/document/UIO8-KNXv3/EVIKA_UIO8-KNXv3_Manual.pdf (дата обращения: 12.04.2016).

14. EVIKA LED4-KNX LED Driver. Руководство пользователя. [Электронный ресурс]: http://evika.ru/wp-content/uploads/document/LED4-KNX/EVIKA_LED4-KNX_Manual.pdf (дата обращения: 12.04.2016).

15. EVIKA IPT8-KNX Контроллер 8-ми датчиков температуры Pt100/1000. Руководство пользователя. [Электронный ресурс]: http://evika.ru/wp-content/uploads/document/IPT8-KNX/EVIKA_IPT8-KNX_Manual.pdf (дата обращения: 12.04.2016).

16. InZennio Z38i. Touch panel KNX. Datasheet. [Электронный ресурс]: http://zennio.com/download/datasheet_z38i_en (дата обращения: 8.03.2016).

17. WAGO 788-304 Relay. Technical Datasheet. [Электронный ресурс]: http://www.farnell.com/datasheets/1917654.pdf (дата обращения: 8.03.2016).

18. Cable sensor, PT100/Pt1000. Technical Datasheet. [Электронный ресурс]: http://www.baumer.com/fileadmin/user_upload/international/Services/Download/Datenblaetter/PI/B1_Electronic_Temperature/Pt100_Pt1000_cablesensor_EN.pdf (дата обращения: 8.03.2016).

19. В.Н. Харке "Умный дом. Объединение в сеть бытовой техники и систем коммуникаций в жилищном строительстве" / Харке В.Н. - М.: Техносфера, 2006. - 292 с.

20. Демирчян К. С., Демирчян К. С. Теоретические основы электротехники:[учеб. для вузов по направлениям подгот. бакалавров и магистров" Электротехника, электромеханика и электротехнологии"," Электроэнергетика"]. - Издательский дом" Питер", 2009. - 512 с.

21. InZennio Z38i. Touch panel KNX. Manual. [Электронный ресурс]: http://zennio.com/download/manual_z38i_en (дата обращения: 8.03.2016).

22. EVIKA LogicMachine. LUA, встроенный язык программирования контроллеров LogicMachine. [Электронный ресурс]: http://evika.ru/wp-content/uploads/document/LM3-Reactor/EVIKA_LM-LUA_Manual.pdf (дата обращения: 12.04.2016).

Размещено на Allbest.ru